中微子振蕩與2015年諾貝爾物理學獎

周　順

(中國科學院 高能物理研究所，北京　100049; 北京大學 高能物理研究中心，北京　100871)

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中微子振蕩與2015年諾貝爾物理學獎

周順

(中國科學院 高能物理研究所，北京100049; 北京大學 高能物理研究中心，北京100871)

本文簡要回顧中微子的發(fā)現(xiàn)歷史，詳細介紹大氣和太陽中微子振蕩實驗和解釋中微子振蕩現(xiàn)象背后的物理機制，著重強調(diào)發(fā)現(xiàn)中微子振蕩的重要物理意義.

諾貝爾獎；中微子振蕩；中微子質(zhì)量；輕子味混合；超出標準模型的新物理

今年，日本東京大學的梶田隆章教授(Takaaki Kaijita)與加拿大女王大學的阿瑟·布魯斯·麥克唐納教授(Arthur Bruce McDonald)共同獲得諾貝爾物理學獎，因為他們分別領(lǐng)導超級神岡實驗(Super-Kamiokande)和SNO實驗(Sudbury Neutrino Observatory)發(fā)現(xiàn)了大氣和太陽中微子振蕩現(xiàn)象，而該現(xiàn)象證明中微子有質(zhì)量.什么是中微子振蕩？為什么它證明中微子有質(zhì)量？中微子質(zhì)量又有什么重要的物理意義呢？本文將圍繞這三個問題來介紹中微子物理的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀和未來前景.

1　中微子的發(fā)現(xiàn)

1914年，英國物理學家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)觀察到原子核的β衰變過程中末態(tài)的電子具有連續(xù)的能譜.當時，人們認為β衰變是由不穩(wěn)定的原子核轉(zhuǎn)變成另一原子核和一個電子的二體過程，那么電子能量由能量守恒定律完全確定，不會是連續(xù)變化的.為了解決電子連續(xù)能譜的問題，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾(Niles Bohr)提出β衰變等微觀過程中能量可能不守恒.1930年底，為了挽救能量守恒定律，奧地利物理學家沃爾夫?qū)づ堇?Wolfgang Pauli)大膽地假設在β衰變末態(tài)中還存在一個質(zhì)量很小、自旋為1/2且電中性的粒子.正是因為這個中性粒子帶走了部分能量且不在探測器中留下任何痕跡，所以電子能譜才是連續(xù)的.1933年，意大利物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)在查德威克發(fā)現(xiàn)中子之后將泡利假設的中性粒子命名為中微子，并基于中微子假設建立著名的四費米子相互作用理論[1].費米的理論可以有效地描述中微子與物質(zhì)之間的弱相互作用，并為之后尋找中微子的實驗奠定了基礎.

在提出中微子假設26年后的一天，泡利突然收到一封電報，其主要內(nèi)容是“泡利教授，很高興通知您，我們通過質(zhì)子的逆β衰變過程確信無疑地探測到了核裂變反應產(chǎn)生的中微子”.據(jù)說，泡利特地為此開了一箱香檳來慶祝[2].這封電報是由美國物理學家弗雷德·萊因斯(Fredrick Reines)和克萊德·柯萬(Clyde Cowan)發(fā)出的，他們迫不及待地要把這個激動人心的消息告訴提出中微子假設的泡利.我們知道，核反應堆是通過控制核裂變的鏈式反應來實現(xiàn)核能的和平利用，而鈾-235等放射性元素的每一次核裂變反應會釋放一定能量和一個反電子中微子.平均來講，當核反應堆的熱功率為1 MW時，每秒鐘就有2×1017個反電子中微子產(chǎn)生，因此核反應堆是很強大的中微子源.根據(jù)費米的理論，核裂變中產(chǎn)生的反電子中微子會與探測器中的質(zhì)子反應并生成中子和正電子.萊因斯和柯萬領(lǐng)導的實驗利用摻有鎘元素的液體閃爍體作為探測器物質(zhì)，正電子與電子湮沒產(chǎn)生能量為0.5 MeV的光子，而中子在大約5 μs之后被鎘原子核俘獲產(chǎn)生9 MeV的光子.這些具有特定能量的光子會被分布在探測器周圍的光電倍增管探測到，而且5 μs的時間間隔可以用來很好地排除實驗背景.經(jīng)過多年的努力，萊因斯和柯萬的實驗組終于在1956年用這種探測方法證明了反電子中微子的存在[3].

接下來，三位美國物理學家萊昂·里德曼(Leon Lederman)、梅爾文·施瓦茨(Melvin Schwartz)和杰克·斯坦因伯格(Jack Steinberger)利用加速到很高能量的質(zhì)子打靶的實驗在1962年發(fā)現(xiàn)存在與μ輕子對應的μ中微子νμ，并證明它與同正電子e+一起產(chǎn)生的電子中微子νe是不同的粒子[4].而與τ輕子對應的τ中微子ντ是在2000年才被美國費米國家實驗室的DONUT實驗探測到[5]，它也是粒子物理標準模型中最后一個發(fā)現(xiàn)的費米子.至此，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三種不同類型的中微子(νe，νμ，ντ)，也稱作不同味或代的中微子，它們可以通過帶電流弱相互作用產(chǎn)生且伴隨著對應的帶電輕子(e，μ，τ)，因此我們定義這種弱相互作用中產(chǎn)生的中微子的量子態(tài)為相互作用本征態(tài)或者味本征態(tài).另外，每一種味的帶電輕子和中微子都存在它們的反粒子.帶電輕子的正反粒子具有相同的質(zhì)量和相反符號的電荷，而中微子不帶電，它的反粒子可能是其自身.證明中微子是否是其自身的反粒子是當前粒子物理實驗的前沿熱點問題，而為什么存在三代費米子也是當今粒子物理學中懸而未決的難題.

2　中微子振蕩

來自核反應堆的電子型反中微子被發(fā)現(xiàn)之后，意大利物理學家布魯諾·龐特科沃(Bruno Pontecorvo)在1957年就指出存在中微子-反中微子相互轉(zhuǎn)化的可能性[6].在發(fā)現(xiàn)μ中微子的同一年，三位日本物理學家牧二郎(Ziro Maki)、中川正美(Masami Nakagawa)和坂田昌一(Shoichi Sakata)提出粒子基本結(jié)構(gòu)的理論模型并預言不同味的兩種中微子νe和νμ可以相互轉(zhuǎn)變[7].雖然龐特科沃和牧二郎等人并非討論中微子振蕩，但是他們首先注意到不同類型的中微子之間可以相互轉(zhuǎn)變，而這種轉(zhuǎn)變正是中微子振蕩實驗觀測到的現(xiàn)象.那什么是中微子振蕩呢？接下來，我們依次介紹日本的超級神岡大氣中微子實驗和加拿大的SNO太陽中微子實驗，并簡述加速器和反應堆中微子振蕩實驗的重要性.

2.1大氣中微子

為了解釋大氣中微子反?，F(xiàn)象，物理學家們提出過很多不同的復雜理論，但最后證明中微子振蕩是最簡單且與實驗觀測符合得最好的解決方案.大氣中微子的產(chǎn)生、傳播和探測過程并不簡單，但我們這里只考慮真空中兩味中微子振蕩的情況，這樣可以更清楚地了解大氣中微子振蕩的主要物理圖像.如果中微子有質(zhì)量而且輕子味存在混合，那么它們的相互作用本征態(tài)就不是質(zhì)量本征態(tài)，而是后者的線性組合.中微子的相互作用本征態(tài)|νμ〉和|ντ〉可表示為兩個質(zhì)量本征態(tài)|ν2〉和|ν3〉的線性疊加：

|νμ〉=+cosθ23|ν2〉+sinθ23|ν3〉

|ντ〉=-sinθ23|ν2〉+cosθ23|ν3〉

A(νμ→ντ)=〈ντ|ν(L)〉=

從上式中的振幅出發(fā)，我們就很容易推導出真空中兩味中微子振蕩的概率公式

2.3太陽中微子

與核反應堆的裂變反應不同，太陽內(nèi)部發(fā)生的是核聚變反應，它是4個質(zhì)子和2個電子形成一個氦原子核，并釋放出26.7 MeV的能量和2個電子中微子.這個聚變過程可以通過不同的鏈式反應完成，而這些鏈式反應過程中會產(chǎn)生不同能譜的電子中微子.例如，太陽中微子中既包含能量低于0.4 MeV的pp中微子，也有高于10 MeV的硼-8中微子.在地球上，每秒鐘穿過每平方厘米面積的太陽中微子有1011個，但是要捕捉到它們卻很困難.1968年，美國物理學家雷蒙德·戴維斯(Raymond Davis)領(lǐng)導Homestake實驗通過放射化學的方法第一次探測到太陽中微子，但是發(fā)現(xiàn)νe中微子的數(shù)量只有理論預期的三分之一[10].美國物理學家約翰·白考(John Bahcall)不斷地改進太陽標準模型，考慮各種可能被忽略的細節(jié)，但是實驗觀測和理論預期的差別仍然存在.這種差別被SAGE，GALLEX/GNO，和超級神岡等其他太陽中微子實驗證實,成為困擾物理學家?guī)资甑奶栔形⒆觼G失之謎.

1985年，華人物理學家陳華森(Herbert Hwa-sen Chen)在《物理評論快報》雜志上發(fā)表文章指出，利用重水做探測器物質(zhì)可以解決太陽中微子丟失的問題[11].他的基本想法是不僅電子中微子νe與重水中的氘核反應產(chǎn)生兩個質(zhì)子和一個電子(即帶電流弱相互作用)，所有三種類型的中微子都可以與氘核反應產(chǎn)生一個質(zhì)子和一個中子(即中性流弱相互作用)，實驗上可以通過區(qū)別這兩種反應過程來確定電子中微子的數(shù)量和從太陽到達地球的所有類型中微子的總數(shù).另外，三種中微子都可以與探測器中的電子發(fā)生彈性散射，但是電子中微子-電子的相互作用截面比其他類型中微子大6倍，所以彈性散射過程與帶電流和中性流過程相互印證.這一新穎的想法立即被應用到在加拿大薩德伯里進行的SNO實驗中，但陳華森在1987年因白血病不幸去世，沒能等到SNO實驗的重水探測器建成和運行.2001年，由麥克唐納領(lǐng)導的SNO實驗公布它們的實驗結(jié)果，證明電子中微子確實只占中微子總數(shù)的三分之一，而且通過中性流相互作用確定中微子總數(shù)與太陽標準模型的理論預言完全一致[12].因此，我們不難看出SNO實驗的結(jié)果的重要性：它模型無關(guān)地證明太陽中微子νe轉(zhuǎn)變成其他類型的中微子νμ和ντ.

2.3反應堆和加速器中微子

除了大氣和太陽中微子振蕩，實驗也觀測到反應堆和加速器中微子振蕩.在日本進行的KamLAND實驗將探測器放在距核反應堆180 km的地方，發(fā)現(xiàn)反應堆中微子比預期的要少，對應的中微子混合角和質(zhì)量平方差與解決太陽中微子丟失之謎的大混合角解(包括MSW物質(zhì))完全一致.另一方面，K2K和MINOS實驗利用加速器產(chǎn)生GeV能量的νμ中微子，并在幾百公里處發(fā)現(xiàn)中微子消失，從而驗證了大氣中微子振蕩現(xiàn)象.值得一提的是，由中國科學院高能物理研究所的王貽芳研究員和美國加州大學伯克利分校的陸錦標教授領(lǐng)導的大亞灣反應堆中微子實驗[15]率先精確地測量了最小的中微子混合角θ13≈8.5°，這一重要結(jié)果為將來的中微子振蕩實驗指明了方向，即確定中微子質(zhì)量順序和發(fā)現(xiàn)輕子部分CP破壞現(xiàn)象.正在我國廣東省江門市建造的江門中微子實驗(JUNO)的首要物理目標就是利用精確測量反應堆中微子的能譜來確定中微子質(zhì)量是正序m1

3　中微子質(zhì)量與新物理

中微子振蕩完美地解釋了所有太陽、大氣、反應堆和加速器中微子實驗中觀測到中微子消失現(xiàn)象.中微子振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)只要求中微子有不同的質(zhì)量且輕子存在味混合，所以它是最簡單且最令人信服的解決方案.然而，目前最成功的粒子物理標準模型卻預言中微子質(zhì)量為零，因此中微子質(zhì)量和味混合是具有堅實的實驗基礎的超出標準模型的新物理[17].

如何產(chǎn)生中微子質(zhì)量是基本粒子物理學中仍未解決的難題.我們知道，在標準模型中夸克和帶電輕子場都具有左手和右手分量，它們與希格斯場通過湯川相互作用并在對稱性自發(fā)破缺之后獲得質(zhì)量.類比夸克和帶電輕子，我們也可以假設中微子是狄拉克粒子并引入右手中微子.為了保證中微子與其他費米子以同樣的方式獲得質(zhì)量，我們不得不要求自然界存在一種基本規(guī)律，即輕子數(shù)守恒.只有這樣，中微子和反中微子才可以像帶電的費米子及其反粒子一樣可以區(qū)分.但是，中微子也可能是其自身的反粒子，即馬約拉納(Majorana)粒子.在這種情況下，一些特定的原子核會發(fā)生無中微子雙貝塔衰變，我們可以通過實驗尋找這樣的輕子數(shù)破壞過程來證明馬約拉納中微子的存在.確定中微子是狄拉克還是馬約拉納粒子對理解中微子質(zhì)量起源至關(guān)重要.

除了質(zhì)量起源，中微子物理還有很多重大基本問題亟待解答.中微子的絕對質(zhì)量是多大？中微子與反中微子振蕩行為是否完全一樣？是否存在不參與任何相互作用的惰性中微子？輕子和夸克的質(zhì)量與混合是否相互關(guān)聯(lián)？中微子是否可以解決宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱問題？毫無疑問，這些基本問題的答案將指導我們?nèi)绾螖U充粒子物理標準模型并掀開粒子物理學研究的新篇章.

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Neutrino oscillations and Nobel Prize in physics 2015

ZHOU Shun

(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; Center for High Energy Physics, Peking University, Beijing 100871, China)

In this article, the history of neutrinos has been briefly reviewed. The atmospheric neutrino anomaly and solar neutrino problem are introduced, and neutrino oscillations as a perfect solution to those problems are discussed in some detail. Finally, the importance of neutrino masses and the remaining unanswered questions in neutrino physics are emphasized.

Nobel Prize; neutrino oscillations; neutrino masses; lepton flavor mixing; new physics beyond the standard model

2015-11-07

中組部“千人計劃”青年人才項目資助

周順(1982—)，男，湖北黃岡人，中國科學院高能物理研究所副研究員，理學博士，主要研究方向：粒子物理學理論，特別是中微子質(zhì)量的起源和相關(guān)唯象學.

O 572.32+1

A

1000- 0712(2016)02- 0001- 04